Soil Fertility Management  4 ‐Nitrogen

ZEF‐IPADS Joint Lecture (20 Jan. 2016)

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IPADS Soil Fertility Management 4NITROGEN

Department of Global Agricultural Sciences

IPADS

Kensuke OKADA

(akokada@mail.ecc.u‐tokyo.ac.jp)

ipads.jp/soil

1(Llanos Orientales in Colombia, photo by KO)

International Program in Agricultural Development Studies  (IPADS) 20 January 2016

IMPORTANCE OF N IN PLANTS

N of primary importance as plant nutrient

9 elements

8 elements

17 essential elements

Sodium (Na), Cobalt (Co), Vanadium (Va) and Silicon (Si)

(Havlin et al. 2005)Importance of N in plant (1) ‐‐‐ Protein

Ribulose‐bisphosphatecarboxylase

Accounts for 50% of soluble leaf protein in C3 plants (20‐30% of total leaf nitrogen) and 30% of soluble leaf protein in C4plants (5‐9% of total leaf nitrogen). (Wikipedia)

Importance of N in plant (2) ‐‐‐ Nucleic acids Importance of N in plant (3) ‐‐‐ Chlorophyll

N deficiency

Yellow and necrotic leavesFrom lower leaves

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N FROM FERTILIZERS

N fertilizers

niter硝石nitratineチリ硝石

(Havlin et al. 2005)

Chilean nitratesHaber‐Bosch process

1909  experimental scale   1931 industrial scale

N2(g) + 3H2(g) ‐‐‐‐‐ 2NH3 (g)

Urea to ammonium

Urea hydrolysis  : rapid in warm, moist soils (several days)Depending on the pH, NH3

+ volatizedUrease is abudant in the soils, especially with high OM

It is sometimes slow in cold seasons(p.152)

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Slow release nitrogen fertilizers

(Havlin et al. 2005)

N CONVERSION IN SOILS

N cycle

(Havlin et al. 2005)

N input and loss

(Havlin et al. 2005)

Mineralization 1   :  Aminization

Mineralization : Conversion of organic N to NH4+

by bacteria (neutral to alkaline soils)by fungi (acidic soils)

Mineralization 2  :  Ammonification

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C:N ratio effects on mineralization and immobilization

(Havlin et al. 2005)

C:N ratio effects on mineralization and immobilization

(Havlin et al. 2005)

NitrificationFactors affecting nitrification

• Soil pH  :  4.5‐10  (optimum 8.5)  inhibited in acid soils

• Temperature :  Slow in low temperature

• Soil aeration : accumulation of NH4+ in paddy 

field

PLANTS’ ABSORPTION, TRANSLOCATION AND UTILIZATION OF N

Ion transport pathway in roots

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Nitrate → Ammonia(Nitrate reduction)

• NO3 ー①→ NO2－②→ NH4OH(hydroxylamine)→NH3

(① Nitrate reductase in cytoplasm)   

(②Nitrite reductase in chloroplast)

• Irreversible processes take place in roots/leaves depending on the plant species

• Energy requiring process

Ammonia to Amino acids

1. Glutamine synthetase

Glutamate + ATP + NH3 → Glutamine + ADP + phosphate

OTHER N DYNAMICS IN THE SOILS AND THE LOSS

Changes and flow of N from soil to plant

(Havlin et al. 2005)

Denitrification

Under anaerobic conditionsFactors affecting denitrification1. Decomposable OM2. Soil water content3. Aeration4. Soil pH                 <5.0 no denitrification

<6.0, 6.5  N2O is dominant> N2

5. Temperature

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Volatilization of Ammonium Nitrate leaching

NITROGEN FIXATION IN LEGUMES

N2 fixation by grain legumes in Africa

(Giller et al. 1997)

N2 fixation by shrubs and trees in the tropics

(Giller et al. 1997)

Factors affecting N2 fixation

1. Soil pH

2. Aeration

3. Mineral nutrient status

4. Phytosynthesis and climate

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(K Okada )

Water‐logging problem of pigeonpea during rainy season in the semi‐arid tropics, at a Vertisol field at ICRISAT

Waterlogging of pigeonpea in an Vertisol field

(K Okada)

Measuring gas permeability in an Alfisol field

(Okada et al. 1991) (K. Okada)

Sampling soil air for the measurement of oxygen concentration

(Okada et al. 1991)

(Okada et al. 1991)

Flat‐bed Ridge and furrow

(K Okada)

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Distribution of oxygen concentration in the soil air under flat‐bed configuration vs. ridge‐furrow configuration

(Okada et al. 1991)

Effect of reduced oxygen concentration in soil on the respiration of roots and nodules

Effect on root respiration Effect on nodule respiration

Pigeonpea Soybean

N2 fixation

Respiration

(Okada et al. 1991)

ISSUES IN NITROGEN MANAGEMENT

Issues in nitrogen management

• Alkaline soils ‐‐‐‐‐‐‐ Ammonium volatilization

• Flooding/Poor aeration ‐‐‐‐‐ Denitrification, low N2‐fixation

• Low temperature ‐‐‐‐‐ Slow mineralization

• Sandy soils / nitrate accumulation / high rainfall ‐‐‐Leaching 

• Residue application ‐‐‐‐ Immobilization

• Excess or deficient N application ‐‐‐ Need for the decision support system

• Split‐plot application

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